Stanovení stáří vzorků na základě analýz izotopů tritia, tritia-hélia a 14 C v rámci projektu GRACE Cíle 3 Shrnutí výsledků pro oblast: Hřensko Křinice/ Kirnitzsch Předložené výsledky byly získány v rámci přeshraničního projektu Společně využívané podzemní vody na česko-saském pomezí (GRACE) v letech 2013/14. Hlavním partnerem projektu je Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v.v.i., partnerem projektu pak Saský zemský úřad pro životní prostředí, zemědělství a geologii (Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie - LfULG). Analýzy byly provedeny jak oběma partnery projektu, tak i externími institucemi. Ke stanovení stáří pomocí tritia byl VÚV TGM, v.v.i. a LfULG proveden především společný odběr vzorků na ch vrtech (resp. měřicích stanicích podzemních vod). Analytiku tritia a výpočty stáří vody provedl VÚV TGM, v.v.i. Analýzy pomocí tritia-hélia, včetně příslušných speciálních odběrů vzorků, zadal LfULG jako zakázku firmám G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh (odběr vzorků) a helis helium isotope studies Ústavu fyziky životního prostředí (Institut für Umweltphysik) Univerzity Brémy, dr. J. Sültenfuß (analýza pomocí tritia-hélia, stanovení stáří). Analýzy vybraných vzorků podzemních vod z hlediska jejich aktivity 14 C proběhly na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy Praha. Vyhodnocení výsledků bylo záležitostí partnerů projektu. Cíl: Cílem analýz bylo zjištění věkové struktury v zájmovém území. K tomuto účelu byly použity izotopy tritia ( 3 H), tritia-hélia ( 3 H- 3 He) a 14 C. Kromě toho měly být zodpovězeny otázky k dynamice podzemních vod (míšení), resp. ke geohydraulice. Realizace: Odběr vzorků: F. Nüßler (Sächsische Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft, BfUL) T. Klups (Sächsische Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft, BfUL) M. Schaffrath (G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh) M. Mühlenbeck (G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh) T. Börner (G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbh) P. Šimek (VÚV TGM, v.v.i.) Michal Novák (VÚV TGM, v.v.i.) Analýzy: VÚV TGM, v.v.i. dr. J. Sültenfuß ( helis, Institut für Umweltphysik der Universität Bremen) Přírodovědecká fakulta UK Praha Postupy metodický postup, odběr vzorků, analýzy Metodický postup Principiálně staví stanovování stáří vody s pomocí vybraných izotopů na jejich radioaktivním rozpadu. Stanovení stáří pomocí tritia spočívá v rozpadu radioaktivního vodíkového izotopu tritia ( 3 H) a je vhodné pro velmi nízké stáří vody, přibližně mezi 10-40 roky. Tato metoda staví na vysokých antropogenních obsazích tritia v atmosféře v důsledku testů jaderných zbraní provedených v 50. a 60. letech minulého století. Vnos tritia do podzemních vod se děje prostřednictvím srážek, takže obsah tritia ve srážkách představuje vstupní signál pro určení stáří. Jako referenční stanice pro tritium byly pro dané zájmové území použity meteorologické stanice Freiberg (Sasko) a Hohe Warte, Vídeň (Rakousko). Jelikož doposud již byla větší část tzv. bombového tritia z atmosféry emitována a obsahy tritia se zase přibližují své přirozené nízké úrovni, stoupají nejistoty při stanovování stáří pomocí tritiové 1
metody. Proto byla jako další možnost k určení stáří vody použita metoda tritium-hélium, a to pro zvýšení vypovídací schopnosti výsledků. Tato metoda je rovněž vhodná pro určování stáří u mladých vod se stářím přibližně 0 až 50 let. Metoda tritium-hélium tkví na straně jedné v měření rozpadu tritia, a na straně druhé v měření tzv. tritiogenního hélia ( 3 He tri ), které při tom vzniká. Proto se tritium a tritiogenní hélium označují jako mateřsko-dceřiný pár nuklidů. Stáří vody se tak určuje nejenom z aktivity tritia, nýbrž i ze sumy tritia a produktu jeho rozpadu 3 hélia, což zaručuje vyšší vypovídací schopnost výsledku. Vlastní stanovení stáří vody probíhalo u obou metod na bázi zjištěných obsahů tritia, resp. tritiogenního hélia v [T.U. 1 ] s pomocí tzv. modelu piston-flow. U tohoto výpočetního modelu se ze zjištěných obsahů izotopů a z výchozí koncentrace ve srážkách vypočítá prostřednictvím zákona rozpadu stáří. Metoda 14 C vychází z toho, že poměr 14 C- 12 C (poměr radioaktivního uhlíku a neradioaktivnímu uhlíku) v CO 2 atmosféry je přenášen do příjmového média, např. do vody. Tím je dán počáteční stav a přes rozpad 14 C je možné určit stáří. S pomocí této metody je možné provést věkové rozčlenění starších podzemních vod. Avšak odhad počátečního obsahu 14 C v podzemní vodě je spojen s velkou nejistotou, protože chemické procesy uskutečňující se při vnosu 14 C, stejně jako i hydraulicky podmíněné procesy směšování vody a výměnné reakce, bylo doposud možné podchytit pouze pomocí zjednodušených modelů. Tak například vede prosakování živou a neživou půdní zónou k míšení biogenního CO 2 s obsahem 14 C a fosilního uhličitanu bez obsahu 14 C v proudu prosakující vody. Kvůli tomuto spolupůsobení recentního a fosilního uhlíku při tvorbě nové leží počáteční koncentrace 14 C pro podzemní vodu mezi 100% modern a více než 50% modern. To vede k tomu, že při předpokladu počáteční koncentrace ve výši 100% modern je stáří vody nadhodnoceno a při 50% modern podhodnoceno, protože v druhém případě nejsou zohledněny sekundárně vytvořené uhličitany s obsahem 14 C. Dalším vlivovým faktorem je nenasycená zóna, kde má na obsah 14 C v podzemní vodě vliv výměna izotopů mezi CO 2 vzduchu v pórech a hydrouhličitanem vody v pórech. Kromě toho mají na stáří dle 14 C značný vliv konvekční jevy spojené s patrovou skladbou profilu, kdy jsou nad sebou vrstvy s mladou a starou podzemní vodou. To znamená, že při difúzním toku od mladší ke starší podzemní vodě se v hlubším patře voda dle 14 C znatelně omlazuje (MOSER & RAUERT, 1980). U prováděných analýz byl nejprve zjišťován obsah tritia a bylo stanovováno stáří vody ve vzorcích podzemních vod a vody z pramenů. Následně proběhlo u vybraných ch vrtů a studní určování stáří vody pomocí metody tritium-hélium. Výběr ch vrtů pro tyto účely se řídil podle zjištěného obsahu tritia, který neměl být nižší než 2 tritiové jednotky (T.U.), protože z metodických důvodů jinak není možné spolehlivě určit stáří vody. Na ch vrtech a pramenech se stářím vody vyšším než 50 let bylo stáří vody navíc určování pomocí aktivity 14 C. Odběr vzorků Odběry vzorků pro analýzy tritia probíhaly na ch vrtech standardně odběrem reprezentativního vzorku (odčerpání 1,5-násobku objemu okruží, resp. až po konstantní stav hlavních parametrů). Na pramenech byly prováděny čerpané vzorky. U vodárenských studní byly vzorky odebírány odběrem surové vody při běžícím čerpadle vodárny. Stejné odběrové metody byly aplikovány pro získání vzorků k analýzám 14 C. U metody tritium-hélium byly kvůli vzácnému plynu hélium a jeho těkavosti odebírány vzorky pouze v ch vrtech a ve vodárenských studnách. Vzorek vody byl v průběhu odběru bez kontaktu se vzduchem naplněn do měděné trubičky, která pak byla vzduchotěsně uzavřena. Následující tabulka poskytuje přehled k jednotlivým m vrtům, kde se odebíraly vzorky pro izotopové analýzy, k druhu ch vrtů, k datu a způsobu odběru vzorku. T.U.= Tritium Unit 2
Tab. 1: Přehled k odběrům vzorků na ch vrtech a pramenech pro analýzy různých izotopů. Č. Název Druh Datum Způsob odběru Tritium 50516003 (D) Schmilka, HY SMIL 4/81, Wurzelweg 50516024 (D) Schmilka, Nasser Grund, Hy Sca 21/82/2 50516026 (D) Schmilka, Nasser Grund, Hy Sca 21/82/4 50516018 (D) Schmilka,13/65 Quenenwiese 51516002 (D) Ottendorf, Hy Sml 5/81, Zschand, Hickelhöhle 29.05.2013 reprezentativní vzorek 50516010 (D) Schmilka, 13z/65 Quenenwiese 29.05.2013 reprezentativní vzorek 50516005 (D) studna Felsenmühle studna 29.05.2013 surová voda 50516006 (D) studna Neumannmühle studna 29.05.2013 surová voda pramen Marienquelle (D) pramen 29.05.2013 čerpaný vzorek K1A2 (CZ) studna 29.05.2013 surová voda K8A2 (CZ) studna 29.05.2013 surová voda V4A (CZ) studna 29.05.2013 surová voda V5A (CZ) studna 29.05.2013 surová voda Tři prameny (CZ) pramen 29.05.2013 vzorek vody z pramene Pytlův pramen (CZ) pramen 29.05.2013 vzorek vody z pramene J 1 (CZ) studna 21.06.2013 surová voda RY 1 (CZ) studna 21.06.2013 surová voda LO-19/NT (CZ) studna 21.06.2013 surová voda K-2-T (CZ) studna 21.06.2013 surová voda Hadí pramen (CZ) pramen 21.06.2013 vzorek vody z pramene P10 (CZ) hladinoměr 30.07.2013 reprezentativní vzorek PP552 (CZ) pramen 30.07.2013 vzorek vody z pramene PP 552/2 (CZ) pramen 30.07.2013 vzorek vody z pramene Tritium-hélium 50516003 (D) Schmilka, HY SMIL 4/81, 17.03.2014 měděná trubička Wurzelweg 50516024 (D) Schmilka, Nasser Grund, Hy 17.03.2014 měděná trubička Sca 21/82/2 50516006 (D) studna Neumannmühle studna 25.03.2014 měděná trubička K8A2 (CZ) studna 18.03.2014 měděná trubička V5A (CZ) studna 18.03.2014 měděná trubička J 1 (CZ) studna 18.03.2014 měděná trubička RY 1 (CZ) studna 18.03.2014 měděná trubička K-2-T (CZ) studna 18.03.2014 měděná trubička P10 (CZ) hladinoměr 18.03.2014 měděná trubička 14 C 50516018 (D) 13/65 Quenenwiese 25.03.2014 reprezentativní vzorek LO-18/NT (CZ) studna 07.11.2013 surová voda K1A2 (CZ) studna 07.11.2013 surová voda Pod Pravčickou bránou pramen 07.11.2013 vzorek vody z pramene 3
Analytika Analýzy tritia byly prováděny v laboratoři radioekologie VÚV TGM, v.v.i. pomocí kapalinové scintilační metody po elektrolytickém obohacení vzorků. Obsahy vzácného plynu ( 3 He tri ) pro metodu tritiumhélium byly stanovovány na hmotnostním spektrometru v laboratoři izotopů vzácných plynů Univerzity Brémy, Ústavu pro fyziku životního prostředí. Aktivita 14 C u vzorků podzemních vod byla zjišťována pomocí kapalinového scintilačního spektrometru v laboratořích Přírodovědecké fakulty UK Praha. Následně bylo z výsledků stanovováno stáří vody. Výsledky Stanovením obsahů tritia v podzemní vodě a ve vodě pramenů bylo možné určit stáří vody, které je zobrazeno na následující mapce. Mapa 1: Zjištěné stáří vody v podzemní vodě a ve vodě pramenů s přiřazením bodů měření k příslušné zvodni. Principiálně je pro interpretaci stáří vody v této oblasti nutné posuzovat dva procesy. Zaprvé je to doba setrvávání vody prosakující na povrchu terénu v nenasycené zóně pískovců, která může v údolích Křinice a Kamenice představovat 20 ->200 m. A zadruhé je to doba setrvávání a míšení podzemní vody v nasycené zóně zvodně. To znamená, že se stoupající mocností nenasycené zóny stoupá i doba setrvávání vody v této zóně (G.E.O.S. 1997). A s přibývající hloubkou ve zvodni stoupá rovněž i stáří vody. V horní turonské zvodni (zvodeň 2) jsou mladší (se stářím 0-32 let). Ve spodní turonské zvodni (zvodeň 2+3, resp. 3) dominují starší vody se stářím 18-43 let. Ojediněle byly i zde nalezeny starší vody se stářím vyšším než 50 let (studna Felsenmühle, vodárna Hřensko). Z cenomanské, nejhlubší zvodně (zvodeň 4) byl odebrán jeden vzorek ( vrt 50516018 Quenenwiese ) s vodou se stářím vyšším než 50 let. Pro vyhodnocení stáří vody je, jak již bylo uvedeno výše, důležité, aby byly do vyhodnocení zapojeny vzdálenosti mezi úrovní terénu a úrovní hladiny, resp. poloha filtrační zóny daného 4
vzorkovaného ho vrtu či poloha pramenů v terénu. Nejnižší stáří vody mezi 0 a 23 roky často korespondují s velmi malými filtračními hloubkami (20-30 m pod horní hranou terénu), nebo byly pozorovány u pramenů. Toto stáří vody bylo mimo jiných zjištěno i u ho vrtu 50512024, který se velmi pravděpodobně vyznačuje přímým vlivem podpovrchové, resp. srážkové vody. O něco vyšší stáří vody (3-32 let) bylo pozorováno na ch vrtech či studnách Neumannmühle (50516006), Richterschlüchte (50516004) a Hickelhöhle (51516002), které jsou charakterizovány hlouběji posazenými filtry či delšími filtračními zónami (polohy filtrů na 40-60 m, maximálně 230 m pod horní hranou terénu). Celkově reprezentují tyto měřicí body mladší vody, a tím i silněji dobu setrvávání vody v nenasycené zóně. To velmi dobře ladí s výsledky firmy G.E.O.S. (1997). V hlouběji položené zvodni 3, resp. 2+3 již jsou pozorována vyšší stáří vody s dominantně 18-43 roky. Ale existují i měřicí body s vodou starší než 50 let. K nim patří např. studna Felsenmühle, která má dlouhou filtrační zónu v pásmu 124-224 m pod horní hranou terénu. Pro tuto studnu existují geofyzikální měření přítoků do vrtu, u nichž se ukázalo, že cca 50% přitékající do studny přitéká na výškové úrovni mezi 215-240 m pod horní hranou terénu (údaje k vystrojení vrtu od firmy ENSO AG Sachsen ke studni Felsenmühle). To velmi dobře vysvětluje vysoké stáří vody, protože tato studna tak dostává vysoký podíl přitékající z báze zvodně (báze zvodně Felsenmühle u -60 m n.m., přítoková zóna mezi -18 až -43 m n.m.). Pro třetí zvodeň je možné vycházet z toho, že zjištěná stáří vody odrážejí jak dobu setrvávání v nenasycené zóně, tak i v nasycené zóně zvodně. Adekvátně své poloze v nejstarší části pískovcových vrstev vykazoval vzorek vody ze zvodně 4 velmi vysoké stáří vody přesahující 50 let. Výsledky stanovování stáří vody metodou tritium-hélium potvrzují výsledky tritiových analýz, přičemž stáří podle tritia-hélia leží většinou v oblasti horní věkové hranice tritiových věkových tříd. U hodnocení stáří vody pomocí analýzy 14 C se potýkáme s výše prezentovanými obtížemi s určením výchozího obsahu 14 C. Považujeme-li nejprve konvenční stáří vody za standardizovaný výsledek metody 14 C, pak byly zjištěny následující hodnoty: Tab. 2: Zjištěné konvenční stáří vody jako standardizovaný výstup metody 14 C. Pozorovací vrt Konvenční stáří vody [a] K1A2 2590 ± 310 LO-18N/T 2170 ± 310 50516018 4280 ± 340 Pod Pravčickou bránou 510 ± 210 Pro výpočet reálného stáří vody byl použit výchozí obsah 14 C ve výši 85% modern, modelování se neprovádělo. Bylo tak vypočteno toto stáří vody: Tab. 3: Reálné stáří při předpokladu iniciačního obsahu 14 C modern ve výši 85%. Pozorovací vrt Konvenční stáří vody [a] K1A2 cca 1.300 LO-18N/T cca 900 50516018 cca 2.900 I z hodnot tabulky 3 je zřejmé, že stáří vody stoupá se zvyšující se hloubkou ve zvodni. Obě měřicí stanice K1A2 a LO-18N/T jsou zbudovány ve zvodni 3, hladinoměr 50516018 v nejhlubší zvodni 4. Pro tyto vrty bylo dále možné ukázat, že podíl komponent mladé vody s nejkratší dobou setrvávání je kolem 20%, zatímco komponenty staré vody s dobami setrvávání čítajícími několik stovek až tisíců let převažují (80%). V protikladu k tomuto je voda pramene Pod Pravčickou bránou (zvodeň 2) podstatně mladší a sestává převážně z komponent mladé vody s dobou setrvávání několika desetiletí. Celkově je možné vycházet z toho, že při použití metody tritium a tritium-hélium bylo stáří podzemní vody systematicky podhodnocováno. Vyhodnocení výsledků analýz tritia a tritia-hélia se provádělo, jak je uvedeno výše, s pomocí výpočtového modelu piston-flow, který staví na následujících předpokladech: míšení různě starých komponent vody se neuskutečňuje, podzemní voda je 5
nenapjatá, oblast tvorby nové je v porovnání s celým povodím zanedbatelně malá (G.E.O.S. 2007). Tím jsou sice výsledky analýz tritia a tritia-hélia srovnatelné, avšak dané předpoklady modelu piston-flow platí pro naše zájmové území pouze velmi omezeně. Zvodeň 4 je celkově a zvodeň 3 parciálně napjatá. Pro zvodeň 2 a 3 se nová podzemní voda tvoří v celém povodí. Dále je třeba vycházet z toho, že v nasycené zóně uvnitř zvodně s velkou mocností a mezi jednotlivými patry dochází k procesům míšení. V této souvislosti představují další problém pro vyhodnocení většinou velmi dlouhé filtrační zóny sledovaných ch vrtů a studní. U metody tritium-hélium navíc dochází k tomu, že kvůli velkým vzdálenostem mezi terénem a hladinou část hélia pocházejícího z rozpadu tritia vytěká, takže nemůže být zohledněna při určování stáří vody. Tento efekt popisují i CORCHO ALVARADO ET AL. (2013). Celkově se můžeme domnívat, že stáří je vyšší. Hovoří pro to výsledky firmy G.E.O.S. (2007), která v saské části zájmového území pomocí exponenciálního modelu piston-flow zjistila převažující stáří vody nad 50 let. Výsledky analýz 14 C pro toto rovněž hovoří, i když je třeba jasně říct, že tyto výpočty stáří vody staví na předpokladu iniciačního obsahu 14 C. Poznatky z určování stáří byly začleněny do tvorby modelů proudění podzemních vod. Literatura: CORCHO ALVARADO, J. A.; T. PAČES & R. PURTSCHERT (2013): Dating groundwater in the Bohemian Cretaceous Basin: Understanding tracer variations in the subsurface. Applied Geochemistry (29): 189-198. G.E.O.S. FREIBERG INGENIEURGESELLSCHAFT MBH (1997): Gutachten zur Entwicklung und Prognose der Grundwasserdynamik im Gebiet Hinterhermsdorf (Landkreis Sächsische Schweiz) und Hřensko (Tschechische Republik). Gutachten im Auftrag des Staatlich Umweltfachamtes Radebeul (unveröffentlicht), Bearbeiter: H. P. Mibus, P. Szymczak; 48 S. + Anl. G.E.O.S. FREIBERG INGENIEURGESELLSCHAFT MBH (1998): Übersichtsgutachten des Grundwasserdargebotes und dessen Nutzung im Zittauer Gebirge unter Berücksichtigung der Grundwassernutzungen auf tschechischem Gebiet. Gutachten im Auftrag des Landesamtes für Umwelt und Geologie (unveröffentlicht), Bearbeiter: H. P. Mibus, T. Schirner, J.-U. Mibus; 68 S. + Anl. G.E.O.S. FREIBERG INGENIEURGESELLSCHAFT MBH (2007): Gutachten. Zustandsüberwachung Grenzgrundwasser/ Operatives Messnetz. Gutachten im Auftrag des Regierungspräsidiums Dresden (unveröffentlicht), Bearbeiter: S. Rösner, P. Szymczak, R. Höhn; 60 S. + Anl. MOSER, H. & W. RAUERT (1980): Isotopenmethoden in der Hydrologie. Gebrüder Borntraeger Berlin, Stuttgart, 400 S. 6